A generic 3D finite element model of tree anchorage integrating soil mechanics and real root system ...
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1. 近年來因 全球暖化 導致暴風雨的增加,使得根系對於土壤錨定力是近年來主要的課題。 PowerPoint PPT Presentation


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A generic 3D finite element model of tree anchorage integrating soil mechanics and real root system architecture 利用三維有限元素分析模擬根的錨定力結合土壤力學及根系結構 指導老師 : 鄭皆達 79842032 許涵硯. 前言. 1. 近年來因 全球暖化 導致暴風雨的增加,使得根系對於土壤錨定力是近年來主要的課題。

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1. 近年來因 全球暖化 導致暴風雨的增加,使得根系對於土壤錨定力是近年來主要的課題。

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Presentation Transcript


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A generic 3D finite element model of tree anchorage integrating soil mechanics and real root system architecture

利用三維有限元素分析模擬根的錨定力結合土壤力學及根系結構

指導老師:鄭皆達79842032 許涵硯


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前言

  • 1.近年來因全球暖化導致暴風雨的增加,使得根系對於土壤錨定力是近年來主要的課題。

  • 2.前人研究中多著重於植物的現地拉拔與生態調查,較缺乏數值模擬,所以此研究利用FEM(FINITE ELEMENT MODEL)來模擬根系之錨定力,並採取現地根系資料與土壤參數以達到與現地相同的狀況,以減少生態的破壞及昂貴的現地實驗。

  • 3.利用FEM來模擬拉拔力,可將不同根型放入不同的土壤環境中。


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摘要

  • 1.此研究中將兩種植物利用側拉的方式,來模擬風載重對於樹所造成之影響。

  • 2.影響拉拔力的因素:根的結構,土壤的物理特性及力學特性。

  • 3.在研究土壤對於頃倒模擬中,純砂質土迎風面的土體呈現永久破壞的狀況,而純粘土中則較為對稱。

  • 4.根系之拉拔力在粘土中高於砂質土。

  • 5.土壤含水量很高時,剪應力與土根之間的連結力會下降許多,易被風破壞也易被拔出,反之,含水量低的土壤剪應力與土根之間的連結力較強,卻會造成樹幹會斷裂。


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研究方法

1.植物與地點

植物:Populus trichocarpa(楊毛果)

Populus deltoides(美州黑楊)

地點特性:位於西南法,種植密度為一公頃200棵

海拔37m,年雨量820mm,此地盛行西南風,

風速4.5m/s,黏質性砂土(69% sand、21%黏土、

10% 壤土),地下水位1.2 m。

當地土壤經過五天105c烘乾得:

土壤含水量21.7±1.4%(美州黑楊),21.7±0.9%(楊毛果)


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2.根系:

將被風影響之樹幹(5%傾斜)挖出來後,量取主跟、側根

(長度、側根角度、側根與主根之方位角、根徑)

再將量出來的數值放入ARCHIROOT中以及使用AMAP MTG

產生3d影像。

楊毛果

美州黑楊


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3.模擬模型:

(1)輸入Abaqus 之參數

(2)網格大小及敏感度分析

四種:256、720、1372、2976元素

(3)材料敏感度分析:

利用 來分析土壤(c、、)及根力學因子。


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Clay

Clay

Sand

現地實驗

現地實驗

Sand

結果

楊毛果的抗拉拔力平均為8.75kN,而美州黑楊平均為13.5kN


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根系

楊毛果:主根長1.11m、直徑0.31m、平均值為32.0±0.02mm

115根根數、總根長94m、總根體積0.12m3

美州黑楊:主根長0.95m、直徑0.34m、平均值為55±0.04mm

82根根數、總根長82m、總根體積0.21m3

網格

O:楊毛果

X:美州黑楊

--:網格與cpu之關係


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wind

wind

迎風面應變量較大

迎風面根系比較接近地面減少土壤壓力。


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wind

Clay

wind

Clay 土壤中模擬後之位移場


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Sand

永久變形

sand 土壤中模擬後之位移場


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0.27

0.5

敏感度極小不影響

0.26

敏感度


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結論

  • 美州黑楊抗拉拔力較楊毛果高30%,原因在於有較大側根,雖然楊毛果有較多小的側根和根數,所以沒有較大的錨定強度。

  • 在現地實驗和數值模擬中影響拉拔抗力的主要原因為:較高的根體積、多數的大的側根。

  • 從這次模擬中,雖然根的結構為構成錨定力之主要因素,然而我們可以發現土壤中的c值(凝聚力)也是個重要的影響因子。

  • 模擬中,將根的強度變換只影響了些微抗傾倒力。


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The end


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